کد امنیتی ملی برق (NESC، IEEE C2-2012) مشخص کننده کلییرنس افقی و عمودی قطعات بدون حفاظت و همچنین کلییرنس بین حفاظ و تجهیزات زنده­ی سیستم­های قدرت فوق فشار قوی EHV (345 کیلوولت به بالا) است. کلییرنس پایه مشخص شده است که این می­تواند براساس عوامل ناشی از پالس کلیدزنی تنظیم شود. این مقاله­ی ویرایش شده INMR از سال ۲۰۱۳، توسط همکاری بین Rao Thallam (که هم اکنون بازنشسته شده­است) و Jim Hunt از پروژه Salt River و همچنین Albert Keri از ABB، به بررسی و بازنگری مطالعات انجام شده در خصوص اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی اجرا شده بر تعداد متعددی خطوط ۵۰۰ کیلوولت در سیستم SRP پرداخت. در مواردی که کلییرنس خط برای برآورده شدن معیارهای NESC ناکافی تلقی شود، ضریب­های پالس ناشی از کلیدزنی توسط نصب برقگیر خط ۵۰۰ کیلوولت در مکان های انتخاب شده کاهش می­یابد. ویژگی­ها و طراحی برای این برقگیرهای با محفظه­ی پلیمری، از جمله تایید عملکرد انرژی به عنوان استاندارد جدیدی در IEEE، نیز شرح داده شده است. این تجربه نشان داده است که نصب برقگیر­های خط انتقال (TLA) می­تواند یک رویکرد اقتصادی مناسب برای کاهش اضافه ولتاژ به دلیل کلیدزنی در مکان خطو انتخاب شده باشد.

ضریب پالس کلیدزنی (SSF) به عنوان نسبت حداکثر پالس ولتاژ کلیدزنی به حداکثر ولتاژ عملیاتی (خط به زمین) یک سیستم قدرت تعریف می شود. همچنین بیان شده است که ضریب پالس ناشی از کلیدزنی یک عامل طراحی است که کلییرنس های انتخاب شده را تعیین می­کند. علاوه بر این، NESC مشخص می­کند که داده های کافی برای حمایت از این ضرایب طراحی باید در دسترس باشند. به عنوان مثال:

برای یک سیستم ۵۰۰ کیلوولت، حداکثر ولتاژ عملیاتی (خط به زمین):

اگر ولتاژ ناشی از کلیدزنی (خط به زمین) به ۸۰۸ کیلوولت برسد، ضریب پالس کلیدزنی برابر خواهد شد با:

در جدول ۱۲۴ . ۱ آخرین نسخه از استاندارد (NESC IEEE C2-2012)، کلییرنس برای محدوده­های بین ۸/۱ تا ۷/۲ پریونیت، ضریب پالس کلیدزنی برای سیستم های قدرت ۵۰۰ کیلوولت، داده شده است.

ولتاژ­های ناشی از پالس کلیدزنی

اضافه ولتاژ کلیدزنی به این دلیل رخ می دهد که ولتاژ در لحظه تغییر در یک سیستم قدرت همانند ولتاژ نهایی نیست. هنگامی که یک دژنکتور بسته می­شود، دوره گذرایی ایجاد می شود که در طی آن ولتاژ ممکن است تا بیش از ۳۰۰ درصد افزایش یابد. زمان گذرای اولیه می­تواند از چند صد میکروثانیه تا یک یا دو میلی ثانیه باشد. انرژی خط فوق فشار قوی و / یا اضافه ولتاژ ناشی از بستن مجدد کلیدها تأثیر قابل توجهی در طراحی یک خط و تجهیزات در پست­های برق آن دارد. سطوح بالای اضافه ولتاژ خط در طول خط انتقال طبیعتا به صورت آماری هستند و بستگی به عواملی مانند لحظه­ی بسته شدن دژنکتور بر موج ولتاژ، زمان بسته شدن نسبی قطب های مختلف، طول خط انتقال، خطوط موازی در همان مسیر، خصوصیات مسیر خطوط زمینی و غیره دارد. هنگامی که یک خط انتقال باز می شود، بار (به دام افتاده) باقی مانده در خط به آرامی به صفر می­رسد. سطح اضافه ولتاژ معمولا برای باز کردن مجدد یک خط با بار الکتریکی به دام افتاده در مقایسه با خط ‘برقدار’ بدون بار الکتریکی است. طراحی خط معمولا بر پایه آستانه تحملی با مقدار ۹۸٪ است. برقدار کردن خط تنها علت ایجاد اضافه ولتاژ به دلیل کلیدزنی در خطوط انتقال نیست. علل دیگر عبارتند از:• کلیدزنی در بانک های خازن موازی ؛• کلیدزنی در بانک های خازن سری ؛• کلیدزنی راکتورهای موازی ؛• وقوع و همچنین پاکسازی خطا ؛• سایر عملیات کلیدزنی

بررسی اضافه ولتاژ خطوط انتقال برقدار

اضافه ولتاژ خط انتقال برقدار را نمی­توان به راحتی با معادلات تحلیلی محاسبه کرد. قبل از رایانه ها، این­ها توسط آنالیز شبکه­های گذرا (TNAs) محاسبه می­شد. در یک مطالعه TNA، سیستم قدرت به صورت فیزیکی در مقیاس کوچکتر مدل سازی می­شود. خطوط انتقال به صورت سلف و خازن های توزیع شده مدل سازی می شوند در حالی که ژنراتورها به صورت منابع معادل مدل­سازی می­شوند. دژنکتور، که معمولا توسط یک کلید کنترل شده توسط کامپیوتر طراحی می­شود، بارها و بارها بسته شده و نتایج به صورت آماری مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند تا حداکثر اضافه ولتاژ را محاسبه کنند.

شرح مطالعات EMTP

مطالعات TNA در حال حاضر منسوخ شده است – با برنامه های کامپیوتری دیجیتال مانند برنامه های نوع گذرای الکترومغناطیسی (ATP، EMTP، PSCAD / EMTDC و غیره) جایگزین شده است. شکل ۱ نمایش کلی طرح پروژه دریاچه نمک (SRP) و سیستم انتقال ۵۰۰ کیلوولت را نشان می دهد. به منظور محاسبه ضریب پالس ناشی از کلیدزنی برای خطوط انتقال SRP، سیستم توسط پست های نمایش داده شده با رنگ قرمز، با استفاده از برنامه PSCAD / EMTDC محدود و مدل سازی می­شود. شکل ۲ نمایش دقیق تر پست­های محدود کننده و مرزی همراه با خطوط مورد علاقه جهت مطالعه است. معادلات سیستم در مکان های مرزی با استفاده از یک پایگاه اطلاعاتی اتصال کوتاه محاسبه می شود. پارامترهای معادل سیستم شامل امپدانس مرتبه مثبت، منفی و صفر در هر باس مرزی و بین تمام باس های مرزی است. خطوط مورد علاقه، جایی که ضریب پالس کلیدزنی محاسبه می­شوند، توسط مدل وابستگی فرکانسی (فاز) نشان داده شده است. این خط یک مدل RLC توزیع شده موجی است که وابستگی فرکانسی همه پارامترهای سیستم را شامل می­شود. خطوطی که جهت تجزیه و تحلیل دقیق انتخاب نشده اند، به صورت بخش های Pi-Line مدل می شوند.

شکل ۱: سیستم ۵۰۰ کیلوولت پروژه رودخانه نمکی (نمودار تک خطی).

شکل ۲: ارائه­ی مدل ساده شده­ی شبکه ۵۰۰ کیلوولت پروژه رودخانه نمکی

مدل برقگیرمحدوده های خطوط ۳۹۶ کیلوولت یا ۴۲۰ کیلوولت با استفاده از برقگیر در نقاط مختلف طول خط برای محدود کردن ولتاژ در حد قابل قبول استفاده می کنند. ترجیحاً به برقگیر­های خط با سطح ولتاژ نامی ۴۲۰ کیلوولت.

خازن های سری در ترمینال­های خط Coronado – Silver king  

نصب خازن­های سری در ترمینال خط Coronado – Silver King  با جزئیات مدل سازی می­شوند. شکاف های بین خازن های سری به منظور کوتاه کردن خازن های سری برای تنظیمات انرژی و جریان مشخص MOV مدل سازی شده است (شکل ۳ را ببینید).

شکل ۳: نمای مدل سازی شده از خط Coronado – Silver King

نتایج مطالعه

کلییرنس خط برای تمام خطوط ۵۰۰ کیلوولت با استفاده از تکنولوژی تشخیص و ردیابی نور (LiDAR) اندازه­گیری شد. پیمانکار SRP این سرویس را ارائه داد که در آن یک ماژول سنجش از راه دور در مسیر خط قدرت نصب نمود. فاصله نسبی با روشن کردن اشیاء در مسیر با یک لیزر و تحلیل نور منعکس شده اندازه­گیری می شود، یک نقطه ۳ بعدی برای ایجاد یک مدل خط انتقال، توپولوژی زمین، گیاهان و سازه ها در سمت راست راه. هنگامی که نقاط طبقه­بندی شده و مدل ایجاد می­شود، نرم­افزار طراحی انتقال می­تواند برای ارزیابی سناریوهای مختلف مانند هادی هایی که دارای جریان نامی باشند و تا حداکثر دمای عملیاتی گرم شده باشند یا هادی هایی که زاویه­ی آن به دلیل نیروی باد در هر فوت مربع جابجا شده باشد، مورد استفاده قرار گیرد. برنامه طراحی انتقال پس از آن خلاصه ای از هر گونه نگرانی مربوط به کلییرنس سیم های برقدار به زمین، خطوط برق که از مسیر کریدور عبور می کنند، ساختمان ها، علائم، قطب ها، پل ها و غیره تولید می­کند. NESC نیاز به تنظیمات برای شرایط محلی مانند ارتفاع بالاتر از سطح دریا را دارد. همچنین موجبات کاهش کلییرنس به زمین را در یک منطقه با ” شرایط وجود تنها عابر پیاده” که از آن وسیله نقلیه بزرگ و یا سواری عبور نمی کند، فراهم می­کند. برای خطوط با ولتاژ بالاتر (که عموما ۲۳۰ کیلوولت AC و بالاتر است)، اگر یک مطالعه مهندسی نشان دهد که فاکتورهای پالس ناشی از کلیدزنی پایین تر از مقادیر پیش فرض است، مشخصات کلییرنس می­توان کاهش یابد. اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی برای تمام خطوط ۵۰۰ کیلوولت نشان داده­شده در شکل ۲ محاسبه شده است. نتایج دقیق در خط ۵۰۰ کیلوولت Coronado – Silver King که ۱۸۰ مایل طول دارد و توانش را از پست نیروگاهی Coronado یه سمت پست دریافتی Silver King انتقال می­دهد. پست نیروگاهی Springerville با یک خط تی شکل ۵۰ مایلی به Coronado وصل شده است. از این رو، خط CO-SI نقش مهمی را در انتقال توان تولید شده به مترو فینیکس ایفا می­کند.

نتایج اضافه ولتاژ کلیدزنی (بستن مجدد) برای خط CO-SI در شکل های ۴ و ۵ زیر ارائه شده است. عملیات بستن کلید Coronado در ۶۰ دوره و Silver King در ۳۵ دوره زمانی است. همانطور که توضیح داده شد، اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی به صورت آماری است و مقادیر نشان داده شده ۲% مقادیر می باشند. هنگامی که خط ۱۰۰ بار کلیدزنی شود، ولتاژ ها از مقادیر اعلام شده در ۲٪ از موارد تجاوز می­کنند. در این ارقام، ضریب اضافه ولتاژ ناشی از پالس کلیدزنی بر اساس مقادیر پایه ۵۵۰ کیلوولت (۱ پریونیت) محاسبه می­شود. مقادیر اصلی مطالعه از مبنای ۵۲۵ کیلوولت برای مقایسه با مقادیر NESC تبدیل شده است. در شکل های ۴ و ۵، مقادیر هدف بر اساس کلییرنس خطوط اندازه گیری شده و فاکتور اضافه ولتاژ ناشی از پالس کلیدزنی در مشخصات NESC است. خطوط ۵۰۰ کیلوولت CO-SI دارای برقگیر­های نصب شده در پست­های Coronado و Silver King برای محدود کردن اضافه ولتاژ کلیدزنی در انتهای خط است. با برقگیرها در انتهای خط ، اضافه ولتاژ کلیدزنی از مقادیر هدف در چندین نقطه در طول خط فراتر می­رود. راه حل اتخاذ شده نصب برقگیر خطوط انتقال ۴۲۰ کیلوولت (TLA) در سه مکان: ۶۰، ۱۰۸ و ۱۳۷ مایلی از Coronado بود. یک مطالعه تایید کرد که نصب برقگیر ها در این نقاط، بر اساس مقادیر NESC، مقادیر اضافه ولتاژ را محدود می­کنند. برای انتخاب مکان های TLA که ملاک ها را برآورده کند، تعدادی تنظیم مبتنی بر تکرار لازم بود. همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است، در مورد مورد c9، SSF هنوز در فاصله­ی ۴۱ مایلی در امتداد خط فراتر از مقدار رایج است. تنظیم در مورد d9 نتیجه را بهبود بخشید، اما کماکان SSF در فاصله­ی ۶۶ مایلی در امتداد خط فراتر از مقدار مورد نظر است. مورد e9 ، اهداف در همه نقاط بحرانی برطرف شده است.

در مورد حساسیت دیگر، نشان داده شده است که تمام معیارهای Coronado – Silver King مشابه با مکان های TLA مورد ۹c، ۳۹۶ کیلوولت و نه ۴۲۰ کیلوولت دیده شد اگر. نصب برقگیر هایی با سطوح پایین تر حفاظتی می­تواند SSF را در طول ۴۱ مایلی خط به میزان ۱/۰ پریونیت کاهش دهد. همانطور که قبلا اشاره شد، SRP نرخ ۴۲۰ کیلوولت را ترجیح می دهد، زیرا برقگیر ها کمتر تحت تأثیر فشارها و تنش­های ولتاژ قرار می گیرند، تنش­هایی که باعث می­شود تا واریتستور اکسید فلزی مانع از هدایت شود، و این منجر به یک چرخه­ی کاری (duty cycle) کم می­شود. نتایج تحقیق SSF برای یک خط انتقال SRP دیگر، Coronado – Sugarloaf، در شکل ۶ نشان داده شده است. برای این خط، کلیدزنی­ها (برقدار کردن) بعد از مدت طولانی پس از باز شدن، بدون بار های به دام افتاده انجام می شود. در مورد TLA قبلی، SSF محاسبه شده در Coronado بدبینانه بود، زیرا یک راکتور خطی موجود که توسط برقگیر محافظت می­شد ممکن است از مدار خارج شود. مشخص شد که دو TLA برای رسیدن به سطح SSF هدف برای این خط کافی است، البته اگر در فاصله­ی ۹ و ۲۵ مایلی از Coronado واقع شده باشد.

انتخاب برقگیر­های خطوط انتقال

تا همین اواخر، روش­های ترجیحی جهت محدود کردن اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی در خطوط انتقال عبارت بودند از:۱٫ نصب دژنکتورها با مقاومت­های الحاق شده­ی قبلی ؛۲٫ کلیدزنی سنکرون قطب های دژنکتور ؛ اصلاح کلیدزنی دژنکتور، همانطور که قبلا اشاره شد، به منظور کاهش قابلیت اطمینان دژنکتور است. کاهش ولتاژ پالس کلیدزنی در طول تمام خط بوده و منحصر به یک مکان خاص نیست. برقگیرها را می­توان در خطوط انتقال نصب کرد تا اضافه ولتاژ ایجاد شده توسط رعد و برق و یا کلیدزنی را کاهش دهند. دو نوع برقگیر خط انتقال وجود دارد: برقگیرهای خط با شکاف خارجی (EGLA) و برقگیرهای خط بدون شکاف (NGLA).

جوانب مثبت و منفی EGLA ها و NGLA هابرقگیرهای خطوط با شکاف خارجي

·       نکات مثبت:-        هیچگونه قطع کننده­ای مورد نیاز نیست-        برقگیر با ولتاژ به طور پیوسته تحت تنش قرار نمی­گیرد و از این رو طراحی ولتاژ برقگیر می­تواند آزادانه صورت گیرد. ·       نکات منفی:-        هماهنگی عایقی دقیق نیست و دشوار است، زیرا شکاف تخلیه الکتریکی (جرقه) دقیق نیست-        هیچ گونه کنترلی بر اضافه ولتاژهای ناشی از کلیدزنی وجود ندارد-        برقگیر باید به صورت جداگانه برای هر وضعیت طراحی شده باشد – برج، محل هادی-        شناسایی دشوار برقگیر معیوب شده.

برقگیرهای خط بدون شکاف

·       نکات مثبت:-        هماهنگی دقیق عایقی-        طراحی انعطاف پذیر برای نصب – برج، هادی و غیره-        آسان تر برای شناسایی برقگیر آسیب دیده و معیوب.  ·       نکات منفی:-        قطع کننده برای برقگیر های فشار قوی مورد نیاز بوده و این پیچیده است-        برقگیرها به طور مداوم تحت تنش قرار می­گیرند و به همین ترتیب ولتاژ نامی بالاتری برای EGLA مورد نیاز قرار می گیرند. پروژه رودخانه نمکی (SRP) از برقگیر اکسید فلزی بدون شکاف که در محفظه های پلیمری قرار دارد، برای نصب بر روی خطوط ۵۰۰ کیلوولت و در مکان­های استراتژیک، بر اساس مطالعات صورت گرفته بر روی اضافه ولتاژ زیاد ناشی از کلیدزنی، استفاده شد. از آنجایی که عایق خط پس از شکست به خودی خود بازیابی می­شود، برقگیر های خط با جدا کننده ها مجهز می­شوند. این باعث می­شود که خط در صورت خرابی برقگیر بدون جایگیزینی آن، فورا برقدار شود. عملكرد قطع کنندگی، شناسایی هر برقگیر آسیب دیده­ای را آسان تر می كند.

مشخصات برقگیر

برقدار کردن خط برای محاسبه پالس ناشی از کلیدزنی نشان داد که انرژی تخلیه شده در برقگیر خط برای یک پست برق استاندارد ضروری نبود. با این حال، برقدار کردن خط تنها یکی از شرایطی است که به برقگیر خط تنش وارد می­کند و به همین دلیل این برقگیر ها با محافظتی با رتبه بندی توان و انرژی مشابه برای یک برقگیر کلاس پستی خاص مشخص می شوند. SRP برای سیستم ۵۰۰ کیلوولت با نرخ duty cycle 420 کیلوولت مشخص شده است و تجربه عملی خوبی دارا از خود نشان داده است. با توجه به قابلیت اطمینان بالای مورد نیاز برای برقگیرهای خط، آن ها با نرخ ۴۲۰ کیلوولت duty cycle مشخص شده­اند. نکات برجسته مشخصات TLA عبارتند از:-        حداکثر ولتاژ عملیاتی پیوسته(MCOV)  ۳۳۵ کیلوولت به صورت rms-        Duty cycle ولتاژ نامی، ۴۲۰ کیلوولت به صورت rms

نرخ بندی انرژی برقگیر–        قابلیت کنترل و مدیریت انرژی (*) : ۱۳ کیلوژول بر کیلوولتMCOV(* همانطور که در استاندارد IEEE C62.11، پیش نویس ۹، نوامبر ۲۰۱۱، در طبقه بندی انرژی کلاس G شرح داده شده است) فروشنده باید داده های آزمایش نمونه را به عنوان مدرکی مبنی بر اینکه برقگیر دارای توانایی کنترل انرژی مشخص شده در بالا را دارد، ارائه دهد.

نصب و راه اندازی

عکس ها، روش نصب و راه اندازی محصول را نشان می­دهند. با توجه به ارتفاع سیم ها، از یک جرثقیل با کفی عایق شده، که به نام Condor شناخته می شود، استفاده می­شود. سخت افزار ضمیمه ساده بود و از اقلام استاندارد در دسترس می­باشد. SRP برای استفاده از میله های زرهی انتخاب شده است تا مستقیم به رشته های بیرونی آلومینیومی هادی بچسبد. دستگاه به صورت “داغ/ برقدار” نصب می شود. انجام کار با خط برقدار، فرآیند را به میزان قابل توجهی ساده کرده است، زیرا قطع شدن خطوط ۵۰۰ کیلوولت بسیار چالش برانگیز است. در یک محل، نظارت وضعیت برقگیر نصب شد، بر روی برج مشبک، به صورت سری با زمین است. فایل­ ها را می­توان از طریق یک دستگاه ارتباطی بی سیم USB دانلود کرد و این امر اطلاعاتی را در رابطه با عملکرد برقگیر و همچنین تعداد پالس­های دیده شده توسط هر برقگیر ارائه می دهد.

نتیجه‌­گیری

با اضافه کردن برقگیر خطوط انتقال (TLA) در طول یک خط، می­توان اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی را کاهش داد. برقگیر اکسید فلزی بدون شکاف با محفظه های پلیمری نسبت به برقگیرهای با شکاف خارجی، (EGLA) ترجیح داده می­شود، زیرا آن ها هماهنگی دقیق تر عایقی و نصب انعطاف پذیرتری را ارائه می­دهند. مطالعات مربوط به اضافه ولتاژ کلیدزنی، با استفاده از برنامه های نوع EMTP، اطلاعات را برای انتخاب مکان در طول خط ارائه می­دهد که برای کاهش پالس ناشی از کلیدزنی لازم است، جایی که کلییرنس خطوط بسیار مهم است. و همچنین نرخ بندی انرژی برقگیر کلاس پست استاندارد برای TLA ها توصیه می شود.